CN1315648A - 向冶金炉中喷吹气体的装置 - Google Patents

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Abstract

用于向冶金炉中喷吹气体的装置包括一支喷枪,喷枪具有沿纵向从前端向后端延伸的气流管道,以从该管道排出气体。安装在管道前端内的长形导杆安装有流体导向叶片以使排出的气体产生旋流。喷嘴由流经供水和回水通道的供水和回水水进行内部冷却。冷却水通过管道内的供水和回水通道穿过位于叶片和中心导杆内的内部冷却通道。

Description

向冶金炉中喷吹气体的装置
本发明提供一种向冶金炉中喷吹气体的装置，该装置特别适合但不仅限于在高温条件下用于向冶金炉中喷吹气流。举例来说，这种冶金炉可以是一种熔炼炉，在该熔炼炉中通过直接熔融冶炼工艺生产熔融金属。
一种众所周知的以熔融金属料层作为反应介质并通常被称作HIsmelt的直接熔融冶炼工艺已在国际专利申请PCT/AU96/00197(WO96/31627)中以申请人的名义发表。
正如在国际专利申请中所阐述的那样，HIsmelt工艺包括：
(a)在冶金炉中形成一个铁水和炉渣熔池；
(b)向该熔池中喷入：
含有金属的原料，一般为金属氧化物；
固体含碳原料，一般为煤，它是作为金属氧化物的还原剂和能源；
(c)在熔融金属料层中将含有金属的原料冶炼为金属。
在这里，术语“冶炼”被理解为是指发生金属氧化物还原反应产生液态金属的高温过程。
HIsmelt工艺还包括从熔池中释放出来的位于熔池上方空间的气体与含氧气体(如一氧化碳和氢气等)的二次燃烧反应，并将二次燃烧产生的热量传递给熔池，为冶炼金属原料补充所需热能。
HIsmelt工艺还包括在熔池名义静止液面上方形成的一个过渡区，在该过渡区存在大量的上升和下降的熔融金属或炉渣液滴、飞溅物、液流，它们成为将熔池上方二次燃烧反应气体所产生的热能向熔池中传递的有效介质。
在HIsmelt工艺中，含有金属的原料和固体含碳原料是通过一些喷枪/风口喷入金属层的，这些喷枪/风口是向下倾斜以穿过冶金炉的侧壁向内延伸至冶金炉的下部区域，从而将固体原料输送到位于冶金炉底部的金属层中。为了促进在冶金炉上部的反应气体的二次燃烧，通过向下延伸的热风喷枪，将可以是富氧的热鼓风吹入冶金炉的上部。为了促使冶金炉上部气体进行有效的二次燃烧，热鼓风最好是以旋流方式从喷枪中吹出。为了实现这一目标，喷枪的出口可以安装内部流体导向装置以产生适宜的旋流。冶金炉上部的温度可以达到约2000℃，而输入喷枪的热风温度则大约为1100℃～1400℃。因此，喷枪必须能够特别耐炉内和炉壁的高温，特别是伸到冶金炉燃烧区域的喷枪出口端要耐高温。本发明提供一种喷枪结构，它能使相应的部件从内部进行水冷，从而可以在极高温度环境下作业。
根据本发明，提供一种向冶金炉中喷吹气体的装置，它包括：
气流管道，该气流管道从后端向前端延伸以便吹出气体；
长形导杆，该导杆安装在管道前端的中心线上，因此气流通过管道的前端沿长形中心导杆流出；
多个气流导向叶片，该叶片安装在长形中心导杆和管道之间，从而当在气流通过管道的前端时产生旋流；
冷却水供水和回水通道装置，该装置沿着管道壁从其后端一直贯通到前端，以将冷却水输送到管道的前端并返回；
内冷水通道装置，该装置位于管道前端的管嘴内，并与冷却水供水和回水通道相连以接收和返回对管嘴进行内冷的冷却水流；
冷却水流通道装置，该通道位于叶片和长形中心导杆内，并与管道前端的冷却水供水和回水通道装置相连，使水流通过供水通道向内流经叶片进入长形中心导杆的冷却通道，并通过这些通道向外流经叶片进入管道的冷却水回水通道。
冷却水供水和回水通道装置最好包括第一和第二供水和回水通道，第一供水和回水通道与管嘴内的内部水冷通道装置相连，第二供水和回水通道与叶片和中心导杆内的水流通道相连。
管嘴可以做成中空环形结构，并从管道的边缘向前伸出，中空结构确定了构成管嘴的所述内部水冷通道的环形通道结构。
管道可包括有几层同心管，它们构成了作为水流供水和回水通道的多个环形空间，可以是4个这样的管构成3个同心环形空间。两个外层的环形空间可以提供水流进出管嘴内部的水冷通道的供水和回水通道。最内层的环形通道可在内部分开，以便为出入叶片和长形中心导杆的水冷通道提供供水和回水通道。
中心导杆一般是头部为穹形的圆柱形结构。
叶片最好为多头(multi-start)螺旋结构。这样，叶片就可围绕管道圆周间隔地在几个位置与管道连接。特别是，可以是4个叶片布置成四通(fourstart)螺旋结构，并在叶片的前端以90度的间隔在4个位置围绕管道并与之连接。
在管道内的冷却水供水通道装置则可以包括分开的数量适当的水流通道，每个通道向一个叶片提供冷却水。这些水流通道可通过一适当环形通道内的间隔物形成，这些间隔物可设置在管道诸管之间，并沿管道螺旋延伸。
管道诸管的前端与管嘴相连。管道诸管后端的安装要使其能够相互间纵向移动，从而适应诸管的不同热膨胀和收缩。
叶片可以只是与管道和中心导杆的前端相连，从而，在热膨胀情况下可以从这些连接处沿管道自由移动。
为了更全面地对本发明予以说明，参照附图对一个特别实施例进行详细说明，这里：
图1是直接熔融冶金炉的垂直剖面图，该冶金炉安装有根据本发明制造的一对固体物料喷枪和一个热鼓风喷枪；
图2是热风喷枪的纵向剖面图；
图3是喷枪前端放大的纵向剖面图；
图4是图3中沿线4-4的剖面图；
图5是图3中沿线5-5的剖面图；
图6是图5中沿线6-6的剖面图；
图7是图6中沿线7-7的剖面图；
图8表示的是与喷枪前端一起布置的在中心导杆前部形成的水流通道；
图9进一步展示了在喷枪前部内，流经中心导杆和4个流体旋流叶片的进、出水通道分布结构；
图10是喷枪后部的放大剖面图。
如国际专利申请PCT/AU96/00197所述，图1表示的是一个适于采用HIsmelt工艺操作的直接熔融冶金炉。该冶金炉一般用符号11标示，它有一个炉缸，而该炉缸带有由耐火材料制成的炉底12和侧壁13；侧炉壁14(炉壁14从炉缸侧壁13向上延伸形成圆桶形炉身，它包括上部炉身15和下部炉身16)；炉顶17；废气排放口18；连续排放熔融金属的前炉缸19；排放熔融炉渣的出渣口21。
操作时，该冶金炉拥有一个铁水和炉渣的熔池，该熔池包括熔融金属层22和位于熔融金属层22之上的熔融炉渣层23。由数字24标明的箭头表示金属层22的名义静止液面位置，而由数字25标明的箭头则表示渣层23的名义静止液面位置。术语“静止液面”的含义可以理解为在没有气体和固体喷入冶金炉时的液面。
冶金炉安装有朝下延伸用于向冶金炉的上部吹入热鼓风的热风喷枪26和两个朝下且向内延伸穿过侧炉壁14进入渣层23并用不含氧气体作载气向金属层22喷入铁矿石、固体含碳炉料和熔剂的固体物料喷枪27。喷枪27的位置选定在生产操作期间喷枪出口28位于金属层22液面的上方，喷枪处于这一位置可以减小因与熔融金属接触而损坏的危险，并通过内部强制水冷来冷却喷枪，同时在冶金炉中不会出现水与熔融金属接触的重大危险。
热风喷枪26的结构在图2-图9中予以了说明。如这些图例所示，喷枪26包括有一个长形管道31，通过它来输送热风气流，且热风可以是富氧的。管道31包括四个延伸到管道前端36的同心管32、33、34、35，在该处它们与喷头37相连，长形导杆38安装在管道前端36，中心设置，并带有四个旋流发生叶片39。中心导杆38为一长形带有外圆角或穹形前、后端41、42的圆柱形结构。叶片39以四通螺旋结构布置，且叶片顶端45沿径向向外延伸到管道的前端而与其相连。
管道31内部大部分衬有耐火材料衬43，即耐火材料衬43安装在管道的最里层金属管35内壁上并一直延伸至叶片的前端41，叶片39恰好安装在前端41后面的耐火材料衬里。
管道的喷头37有一从管道边部向前凸出的中空环形头部或喷嘴44，以与确定气体通过管道的有效气流通道的耐火材料衬43的内表面基本齐平。中心导杆38的前端向前凸超出了喷嘴44，从而导杆的前端和喷嘴在一起配合形成了一个环形喷嘴，由于叶片39的作用，热鼓风产生强烈的旋转或旋流经环形喷嘴以环形旋流形式从环形喷嘴喷射而出。
根据本发明，管道喷嘴44，中心导杆38和叶片39都是由沿管道管壁延伸以符号51标示的冷却水流通道提供的冷却水进行内部水冷的。水流通道51包括由管道的管33、34之间的环形空间构成的环形供水通道52，以通过位于喷头37里的周向间隔开口54向管道喷嘴44的中空内腔53提供冷却水。水从喷嘴经周向间隔开口55回流到由管道的管32和33所构成的环形回水通道56，且这也是水流通道51的一部分。这样，喷嘴37的中空内腔53连续地得到冷却水供应，从而成为内冷通道。通过在喷枪后端的入水口57将冷却喷嘴的冷却水送到供水通道52，同样，通过喷枪后端的出水口58使水流出喷枪。
位于管道的管34和35之间的环形空间59由绕成螺旋状的隔板分隔成8个独立的从管道后端一直延伸到管道前端36的螺旋通道60。其中4个通道通过4个沿圆周间隔分布的进水口62分别供水以作为冷却叶片39和导杆38的独立水源。进水口62通过环形供水岐管90与共用供水管80相连。其它4个通道60则作为回水通道，它们与共用的环形回水岐管通道63和单独的出水口64相连。
叶片39为中空结构且其内腔被分隔成进水和出水通道，通过该通道水流入和流出中心导杆38，而中心导杆38也带有用于内部水冷的水流通道。叶片39的前端45与环绕4个进水狭窄通道65的最内层管道的管35的前端相连，通过该狭窄通道水分别从4个供水通道沿径向向内流入叶片前端的进水通道66。然后冷却水流入中心导杆38的前端。
中心导杆38包括前、后内部件68、69，这两部件罩在壳体70之中，壳体由主圆柱段71和穹形前、后端41、42组成，壳体表面都非常坚硬，以抵抗由热风携带的耐火材料砂粒或其它颗粒状物质所产生的磨损。中心导杆的内部件68、69和外壳之间的间隔空间74通过安置在内部件68、69外表面上的分隔拱棱77、78分成2组外环水流通道75、76。外环水流通道75前部被设计成从中心导杆的前端成扇状散布(如图8所示)，并环绕导杆向后延伸。流体导向插板81设置在内部件68并中心设置，贯穿水流通道67，并将该通道分隔成4个沿周向间隔分布的水流通道，每个通道分别接收流经叶片前端进水通道66的进水水流，从而保证流到中心导杆的水流为相互独立的4个进水水流。这些独立的水流与4个前部外环水流通道75相连，通过通道75水流流回中心导杆的前端。
隔板82将叶片和中心导杆前端的进水通道66、67同叶片和中心导杆后端的水流通道隔开。通过前面外环通道75流回的水经位于进水通道66之间的隔板处的狭窄通道83，流回到位于后部件69处的中心通道84中。通过中心水流导向装置85，该通道也被分成4个独立的通道以使4个独立水流连续流到中心导杆的后端。后面的外环水流通道76也被设计成与位于中心导杆前端的旁路75相类似的4个一组的形式，以分别接收在导杆后端的4股水流，并使它们环绕导杆的四周流回到外壳里的4个沿圆周间隔分布的狭窄出水通道86，由此，水流回到叶片中的回水通道87。
中空叶片在其内部被纵向隔板89分隔，从而冷却水通道从叶片的内侧前端延伸至叶片的后端，然后沿着叶片的外端向外、向前到达叶片前端42的径向延伸的出水通道91，出水通道91通过出水狭窄通道93与4个沿圆周间隔的贯穿管道壁的回流通道相连，而达到位于管道后端的共用出水口64。如图3所示，隔板82将叶片内的进、出水通道66、91隔开，且每个叶片在管道内层管35的前端，都形成与纵向成一定角度的进、出水流狭窄通道65、93，以与叶片的螺旋角度相配合。
4个同心管道的管32、33、34、35的前端与喷嘴55的3个法兰94、95、96相焊接，从而在喷枪的前端形成连在一起的稳定结构。考虑到喷枪运行期间不同的热膨胀，管道的管的后端可沿纵向移动。如图10中清晰所见，管道的管32的后端安装有伸出的法兰101，而法兰101被焊接到一个带有进水和出水口57、58、62、64的连续结构件102上。结构件102包括一个安装有带O形密封环的内环式法兰103,O形密封环104是用在管道的管33后端的滑动装配件，所以允许管道的管33沿纵向独立于管道外层钢管32膨胀和收缩。焊在管道的管34后端的结构件105包括带O形密封环108、109的环形法兰106、107,O形密封环108、109为位于外部结构件102内部固定在管道的管32后端上的管道的管34的后端提供滑动装配，从而管道的管34可以独立于管道的管32膨胀和收缩。最内层管道的管35的后端带有安装了O形密封环112的凸出法兰111，该O形密封环112与安装到外部结构件102上的圆环113相啮合，从而也为最内侧的管道的管提供滑动装配，所以允许其单独沿纵向膨胀和收缩。
同时还为气流导向叶片39和内部件38的热膨胀采取了预防措施。叶片39只是在其前端与管道和内部件相接，且这些地方就是在叶片的前端内、外侧有进水和出水流道处，叶片的主体部分恰好安装在管道耐火材料衬43和中心导杆38壳体之间，且可沿纵向自由膨胀。位于内部件后部之中的水流分隔件85带有一个圆形前端板，该前端板可在隔板82上的管状阀门122机加工表面上滑动，从而使中心导杆的前、后端在热膨胀的情况下移动，保持各水流通道之间的密封。采用热膨胀接头133以适应中心导杆在前、后端之间的热膨胀。
考虑到热膨胀的存在，叶片39可以是成形件，从横断面上看，它们不会在中心导杆的外壳和管道耐火材料衬之间沿径向向外延伸，但当喷枪管和中心导杆处于冷状态下，它们与实际径向稍有偏离一定的角度。在喷枪运行期间，管道的管的不断膨胀将使叶片朝径向拉伸而与管道衬和中心导杆保持适当的接触，避免由于热膨胀带来的叶片上的径向应力。
在所示热风喷枪运行中，独立的冷却水流输送到4个旋流叶片39，所以由于不同的水流效应而不会损失冷却效率。独立的冷却水流也输送到中心导杆38的前、后端，从而消除了由于可能出现的优先水流效应导致水流不足所产生的局部过热。这样对于在冶金炉中曝露在极高温度下的中心导杆前端41的冷却是特别重要的。
在热膨胀和收缩效应作用下，管道的管可以沿纵向独立膨胀和收缩，且叶片和中心导杆也能够膨胀和收缩，而不损坏喷枪结构的完整性并保持各独立的冷却水流。
所示喷枪能够在采用HIsmelt工艺生产铁水的直接熔融冶金炉中的极度高温度条件下使用。一般通过4个旋流叶片和中心导杆的冷却水流速可以达到约90立方米/小时，通过外壳和喷枪喷嘴的流速可以达到约400立方米/小时。因此，在最大约1500kPag的操作压力下，总流速可达约490立方米/小时。
尽管所示喷枪是用于向直接熔融冶金炉喷吹热鼓风，但可以清楚地认识到，类似的喷枪也可以成功地用于向任何处于高温条件下的冶金炉中喷吹气体，如向炉中喷吹氧气、空气、燃气。
相应地，应该清楚的认识到本发明并不限于所述结构情况，且许多改进和变化都属于附加权利要求的范围。

Claims (22)

1、用于向冶金炉中喷吹气体的装置，包括：
气流管道(31)，该管道从后端延伸到前端(36)，由前端将气体从管道中吹出；
长形导杆(38)，该导杆对中地设置在管道前端，从而使流经管道前端(36)的气体亦沿长形中心导杆(38)流动；
多个流体导向叶片(39)，这些叶片安装在长形中心导杆(38)和管道(31)之间，以使通过管道前端的气流产生旋流；
冷却水供水和回水通道装置(51)，该通道沿着管道壁从其后端一直贯通到前端，以将冷却水提供到管道的前端并返回；
内部冷却水通道装置(53)，该装置位于管道前端的喷嘴(44)之中，与冷却水供水和回水通道装置(51)相连，以接收进入内部冷却喷嘴的冷却水流并使其返回；
其特征在于，冷却水流通道(66、75、76、87)位于叶片(39)和长形中心导杆(38)内，并与管道(31)前端(36)内的冷却水供水和回水通道装置(51)相连，使水流从供水通道装置通过叶片(39)内部进入长形中心导杆(38)的冷却通道(75、76)，进而通过这些通道从叶片(39)向外进入管道(31)的冷却水回水通道装置(51)。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，喷嘴是做成从管道边缘向前凸出的中空环形结构，该中空结构形成了一个构成喷嘴的所述内部冷却水通道装置的环形通道。
3、根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，冷却水供水和回水通道装置(51)包括第一供水和回水通道(52、56)和第二供水和回水通道(60)，第一供水和回水通道与喷嘴(44)内的内部水冷通道装置(53)相连，第二供水和回水通道与叶片(39)和中心导杆(38)内的水流通道(66、75、76、87)相连。
4、根据权利要求1至3中任意一条所述的装置，其特征在于，管道(31)包括构成环形通道(52、56、59)的同心管(32、33、34、35)，而这些环形通道构成供水和回水通道装置(51)。
5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于，4个所述同心管构成三个同心环形通道。
6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，两个最外层环形通道(52、56)构成流入和流出喷嘴(44)的内部冷却水通道(53)的供水和回水通道。
7、根据权利要求4至6中任意一条所述的装置，其特征在于，最内侧的环形通道(59)从内部被分隔，以便为流入和流出叶片和长形中心导杆内冷却水通道的水流提供供水和回水通道(60)。
8、根据权利要求4至7中任意一条所述的装置，其特征在于，管道诸管(32、33、34、35)的前端与喷嘴相连。
9、根据权利要求4至8中任意一条所述的装置，其特征在于，管道诸管(32、33、34、35)后端安装成允许它们之间沿纵向可以相对移动，以适应管的不同热膨胀和收缩。
10、根据权利要求1至9中任意一条所述的装置，其特征在于，中心导杆(38)为圆柱形结构。
11、根据权利要求10所述的装置，其特征在于，中心导杆(38)具有穹形前、后端(41、42)。
12、根据权利要求11所述的装置，其特征在于，中心导杆(38)的前端向前凸超出了喷嘴44，从而使中心导杆的前端和喷嘴配合在一起形成了一个环形喷嘴，由于所述叶片(39)的作用，来自管道的气体产生旋流发散气流。
13、根据权利要求11或权利要求12所述的装置，其特征在于，中心导杆的穹形端头的表面很坚硬，以抵抗由气流携带的颗粒状物质产生的磨损。
14、根据权利要求1至13中任意一条所述的装置，其特征在于，叶片(39)被加工成多头螺旋状。
15、根据权利要求14所述的装置，其特征在于，叶片(39)在环绕管道(31)周向间隔的多个位置与管道连接。
16、根据权利要求15所述的装置，其特征在于，有4个叶片(39)布置成四通螺旋结构，并在叶片的前端以90度的间隔从4个位置环绕管道并与之相连。
17、根据权利要求15或权利要求16所述的装置，其特征在于，位于管道(31)内的冷却水供水通道装置(51)包括数量适宜的独立的水流通道(60)，它们各自向一个叶片提供冷却水。
18、根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述各独立水流通道(60)是由位于管道环形通道(59)内、沿管道螺旋延伸的分隔件分隔而成。
19、根据权利要求17所述的装置，其特征在于，在中心导杆(38)中多个独立的水流通道(75、76)与叶片(39)中的各水流通道(66、87)分别相连。
20、根据权利要求19所述的装置，其特征在于，叶片(39)中的冷却水通道包括位于叶片前端内的进水口(66)，以使来自管道前部冷却水供水通道装置(51)的冷却水沿径向向内流入位于中心导杆内的各独立的水流通道(75、76)，还有位于叶片(39)后部的回水通道(87)，使来自中心导杆的冷却水流通道的回流水流入管道内的回流通道装置中。
21、根据权利要求20所述的装置，其特征在于，中心导杆(38)中的冷却水通道包括位于中心导杆前部的前通道(75)，以接收来自叶片(39)内进水通道(66)的水并使其进入且绕中心导杆前部的周边，和中心导杆后部通道(76)，接收来自前部通道的水，并环绕中心导杆的后部的周边，进入位于叶片(39)后部的回流通道(87)。
22、根据权利要求1至21中任意一条所述的装置，其特征在于，叶片(39)被连接到管道(31)和中心导杆(38)的前端，以使在高温膨胀情况下相对这些连接可以自由沿管道(31)移动。
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